基于常见液压传动系统的设计思路
2014-08-07徐丕兵
摘要：液压传动系统设计是整个机械设备设计的重要组成部分，文章基于经验设计法介绍了常见液压传动系统的设计思路，即明确液压系统的设计要求；进行现场工况分析，确定系统的主要参数；确定液压系统方案，编制液压系统原理图；计算参数和选择液压元件；验证液压系统的性能；绘制工作图纸，编制工艺技术文件。
关键词：液压传动；系统设计；经验法；计算机辅助设计；CAD
中图分类号：TP273文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）21-0010-02
目前，液压系统的设计主要采用传统设计方法——经验法。借助液压系统计算机辅助设计（液压CAD）技术进行液压系统的设计，将成为今后主要的现代设计方法，但它也是建立在经验法设计的基础上的。因此主要介绍经验设计法。
液压传动系统设计是整个机械设备设计的重要组成部分，它与主机的设计是紧密相关的。其设计应从实际出发，重视调查研究，注意吸收国内外先进技术，在满足主机在动作和性能方面规定要求的前提下，应力求结构简单、成本低、效率高、工作安全可靠、使用维护方便及使用寿命长。
液压传动系统的一般设计步骤为：明确液压传动系统的工艺设计要求；进行现场工况分析，确定液压传动系统的主要参数；确定液压系统设计方案，拟定液压系统传动原理图；计算和选择液压元件参数；验算液压系统的性能要求；绘制工作图纸，编制工艺技术文件。上述各步骤的工作内容，有时需要平行进行，穿插进行，交叉展开。对某些比较复杂的液压系统，需经过多次反复实验比较，才能做出最后确定。设计较简单的中等复杂的液压系统时，设计中的有些步骤也可以合并或
简化。
1明确液压系统的设计要求
液压传动系统的设计必须能全面满足主机的各项功能和技术性能。因此，在开始设计液压系统时，首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的了解与分析，明确主机对液压系统提出的工艺要求，具体内容包括：（1）主机的用途、类型、应用范围、主要结构、总体布局以及对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制；（2）对液压系统动作和性能的要求，如主机的工作循环、液压执行元件的运动方式（往复直线运动或旋转运动或摆动）、自动化程度、调速范围、运动平稳性和精度、负载状况及其工作范围；（3）主机各液压执行元件的动作顺序或者联锁要求；（4）工程现场的液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质情况、环境温度范围、湿度系数、尘埃情况、外界冲击振动等；（5）其他方面的要求，如液压装置在设计质量、外形尺寸、运行可靠性、经济性等方面的规定或限制。
2分析系统工况，确定主要参数
2.1分析系统工况
液压系统的现场工况分析是指对液压执行元件的工作状况进行分析，即进行正常的运动分析和负载分析。其分析的目的主要是确定每个执行元件在各自工作过程中的流量、压力和功率的变化过程，并将此工作过程用曲线表示出来，作为确定系统运行的主要参数（压力和流量） 、编制拟定液压系统方案的主要依据。
第一，动作运动分析。动作运动分析就是对执行元件在一个工作循环中各阶段的运动速度变化规律情况进行分析，并画出速度运行循环图。图1为某机床动力滑台的液压运动分析图，其中图1（a）为滑台工作循环图，表示液压系统的动作过程；图1（b）为速度－位移曲线图，表示滑台在一个工作循环内各阶段运动速度的大小及变化情况。
（a）工作循环图 （b）速度－位移曲线图
图1动力滑台运动分析图
第二，负载分析。负载分析就是确定执行元件所受的负载大小和方向。液压执行元件所承受的负载可由主机的规格规定，可由实验样机通过做实验测定，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定执行元件的实际运行负载时，必须仔细考虑各执行元件在一个循环中的工况及相应的负载类型。例如：工作负载（切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、重力等）、惯性负载和阻力负载（摩擦力、密封力、背压力）等。计算时可根据有关定律或查阅相关设计手册来完成。把执行元件各阶段的负载用负载－位移曲线表示出来，就是负载循环图。图2为负载循环图：
图2执行元件的负载循环图
2.2确定主要参数
因为这时回路的结构还没有完全确定，所以这里所说的主要参数是指液压执行元件的主要参数。液压系统采用的执行元件的形式，必须满足主机的运动功能、性能要求及结构、安装上的限制。根据所要求的负载运动形式，选用不同的执行元件的配置。
液压执行元件主要的参数有压力和流量，这两个参数是计算和选择液压元件的主要依据。要确定执行元件的压力值和流量值，首先选择传动系统的工作压力，然后根据液压执行元件的负载循环图，计算出执行元件的主要几何参数，最后根据速度循环图确定其流量值。
3确定液压系统方案
确定液压系统的运行方案，编制拟定液压系统原理图是整个液压系统设计中最重要的一步，它对系统的性能、经济性具有决定性的影响。它包含三项内容：选择系统类型、选择液压回路及拟定液压系统原理图。
3.1选择系统的类型
系统的类型有开式和闭式两种，根据调速方式和散热要求来选择，结构简单的液压系统或节流调速的液压系统，一般采用开式系统；容积调速或要求效率高的系统，多采用闭式系统。
3.2选择液压回路
液压系统的回路是决定主机动作和性能的基础，要根据液压系统所需完成的任务和对液压系统的设计要求来选择液压基本回路。选择时要先从影响主机的关键回路进行，比如对机床的液压系统和调速以及速度换接的主要回路；另外对于液压机的液压系统，调压回路就应该是主回路。其后在考虑其他的辅助的回路系统，对于有垂直运动的部件要考虑到平衡回路，对于有多个执行元件的系统要考虑到执行元件的各个动作以及同步动作和互不干扰的回路等。若有多种方案时，应反复进行分析对比，参考同类型液压系统中选择较好的回路。
4液压元器件的选择
4.1选择液压泵的规格
根据最大压力pb和流量qb，查出液压元件产品样本，选择合适的液压泵的规格型号。
为使液压泵有一定的压力储备，泵的额定压力pn应比系统最高压力大25%～60%。泵的额定流量应与计算所需的流量相当，不能超过太多，以免造成过大的功率损失。
4.2液压控制阀的选择
液压控制阀应根据阀所在回路的最大工作压力和流经阀的最大流量来选择阀的规格。选择溢流阀时，应按动力源液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量，以满足低速运行稳定性能的要求。此外，还要考虑阀的操纵方式、连接方式和换向阀的中位机能等。
4.3液压元件配置形式的选择
如果液压站设备为固定式的，经常把液压系统中的液压元件、动力源以及各种辅助元件相对集中的安装在主机外的液压站中。这样做的好处在于方便了元件的维修和安排，而且消除了由于油温或动力源振动问题对主机工作的精确度。液压元件的配置形式目前广泛采用集成化配置，具体有下列三种：板式配置、集成块式集成配置和叠加阀式集成配置。其中，集成化配置因其结构紧凑、油管少、可标准化、安装方便、便于设计与制造、压力损失小等优点得以广泛应用。
参考文献
[1]宋锦春．液压技术实用手册[M]．北京：中国电力出版社，2011．
[2]许毅，杨兆举．液压与气动技术及应用[M]．北京：北京师范大学出版社，2012．
作者简介：徐丕兵（1976-），男，山东平度人，供职于青岛市技师学院，中级职称， 研究方向：控制工程。
摘要：液压传动系统设计是整个机械设备设计的重要组成部分，文章基于经验设计法介绍了常见液压传动系统的设计思路，即明确液压系统的设计要求；进行现场工况分析，确定系统的主要参数；确定液压系统方案，编制液压系统原理图；计算参数和选择液压元件；验证液压系统的性能；绘制工作图纸，编制工艺技术文件。
关键词：液压传动；系统设计；经验法；计算机辅助设计；CAD
中图分类号：TP273文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）21-0010-02
目前，液压系统的设计主要采用传统设计方法——经验法。借助液压系统计算机辅助设计（液压CAD）技术进行液压系统的设计，将成为今后主要的现代设计方法，但它也是建立在经验法设计的基础上的。因此主要介绍经验设计法。
液压传动系统设计是整个机械设备设计的重要组成部分，它与主机的设计是紧密相关的。其设计应从实际出发，重视调查研究，注意吸收国内外先进技术，在满足主机在动作和性能方面规定要求的前提下，应力求结构简单、成本低、效率高、工作安全可靠、使用维护方便及使用寿命长。
液压传动系统的一般设计步骤为：明确液压传动系统的工艺设计要求；进行现场工况分析，确定液压传动系统的主要参数；确定液压系统设计方案，拟定液压系统传动原理图；计算和选择液压元件参数；验算液压系统的性能要求；绘制工作图纸，编制工艺技术文件。上述各步骤的工作内容，有时需要平行进行，穿插进行，交叉展开。对某些比较复杂的液压系统，需经过多次反复实验比较，才能做出最后确定。设计较简单的中等复杂的液压系统时，设计中的有些步骤也可以合并或
简化。
1明确液压系统的设计要求
液压传动系统的设计必须能全面满足主机的各项功能和技术性能。因此，在开始设计液压系统时，首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的了解与分析，明确主机对液压系统提出的工艺要求，具体内容包括：（1）主机的用途、类型、应用范围、主要结构、总体布局以及对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制；（2）对液压系统动作和性能的要求，如主机的工作循环、液压执行元件的运动方式（往复直线运动或旋转运动或摆动）、自动化程度、调速范围、运动平稳性和精度、负载状况及其工作范围；（3）主机各液压执行元件的动作顺序或者联锁要求；（4）工程现场的液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质情况、环境温度范围、湿度系数、尘埃情况、外界冲击振动等；（5）其他方面的要求，如液压装置在设计质量、外形尺寸、运行可靠性、经济性等方面的规定或限制。
2分析系统工况，确定主要参数
2.1分析系统工况
液压系统的现场工况分析是指对液压执行元件的工作状况进行分析，即进行正常的运动分析和负载分析。其分析的目的主要是确定每个执行元件在各自工作过程中的流量、压力和功率的变化过程，并将此工作过程用曲线表示出来，作为确定系统运行的主要参数（压力和流量） 、编制拟定液压系统方案的主要依据。
第一，动作运动分析。动作运动分析就是对执行元件在一个工作循环中各阶段的运动速度变化规律情况进行分析，并画出速度运行循环图。图1为某机床动力滑台的液压运动分析图，其中图1（a）为滑台工作循环图，表示液压系统的动作过程；图1（b）为速度－位移曲线图，表示滑台在一个工作循环内各阶段运动速度的大小及变化情况。
（a）工作循环图 （b）速度－位移曲线图
图1动力滑台运动分析图
第二，负载分析。负载分析就是确定执行元件所受的负载大小和方向。液压执行元件所承受的负载可由主机的规格规定，可由实验样机通过做实验测定，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定执行元件的实际运行负载时，必须仔细考虑各执行元件在一个循环中的工况及相应的负载类型。例如：工作负载（切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、重力等）、惯性负载和阻力负载（摩擦力、密封力、背压力）等。计算时可根据有关定律或查阅相关设计手册来完成。把执行元件各阶段的负载用负载－位移曲线表示出来，就是负载循环图。图2为负载循环图：
图2执行元件的负载循环图
2.2确定主要参数
因为这时回路的结构还没有完全确定，所以这里所说的主要参数是指液压执行元件的主要参数。液压系统采用的执行元件的形式，必须满足主机的运动功能、性能要求及结构、安装上的限制。根据所要求的负载运动形式，选用不同的执行元件的配置。
液压执行元件主要的参数有压力和流量，这两个参数是计算和选择液压元件的主要依据。要确定执行元件的压力值和流量值，首先选择传动系统的工作压力，然后根据液压执行元件的负载循环图，计算出执行元件的主要几何参数，最后根据速度循环图确定其流量值。
3确定液压系统方案
确定液压系统的运行方案，编制拟定液压系统原理图是整个液压系统设计中最重要的一步，它对系统的性能、经济性具有决定性的影响。它包含三项内容：选择系统类型、选择液压回路及拟定液压系统原理图。
3.1选择系统的类型
系统的类型有开式和闭式两种，根据调速方式和散热要求来选择，结构简单的液压系统或节流调速的液压系统，一般采用开式系统；容积调速或要求效率高的系统，多采用闭式系统。
3.2选择液压回路
液压系统的回路是决定主机动作和性能的基础，要根据液压系统所需完成的任务和对液压系统的设计要求来选择液压基本回路。选择时要先从影响主机的关键回路进行，比如对机床的液压系统和调速以及速度换接的主要回路；另外对于液压机的液压系统，调压回路就应该是主回路。其后在考虑其他的辅助的回路系统，对于有垂直运动的部件要考虑到平衡回路，对于有多个执行元件的系统要考虑到执行元件的各个动作以及同步动作和互不干扰的回路等。若有多种方案时，应反复进行分析对比，参考同类型液压系统中选择较好的回路。
4液压元器件的选择
4.1选择液压泵的规格
根据最大压力pb和流量qb，查出液压元件产品样本，选择合适的液压泵的规格型号。
为使液压泵有一定的压力储备，泵的额定压力pn应比系统最高压力大25%～60%。泵的额定流量应与计算所需的流量相当，不能超过太多，以免造成过大的功率损失。
4.2液压控制阀的选择
液压控制阀应根据阀所在回路的最大工作压力和流经阀的最大流量来选择阀的规格。选择溢流阀时，应按动力源液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量，以满足低速运行稳定性能的要求。此外，还要考虑阀的操纵方式、连接方式和换向阀的中位机能等。
4.3液压元件配置形式的选择
如果液压站设备为固定式的，经常把液压系统中的液压元件、动力源以及各种辅助元件相对集中的安装在主机外的液压站中。这样做的好处在于方便了元件的维修和安排，而且消除了由于油温或动力源振动问题对主机工作的精确度。液压元件的配置形式目前广泛采用集成化配置，具体有下列三种：板式配置、集成块式集成配置和叠加阀式集成配置。其中，集成化配置因其结构紧凑、油管少、可标准化、安装方便、便于设计与制造、压力损失小等优点得以广泛应用。
参考文献
[1]宋锦春．液压技术实用手册[M]．北京：中国电力出版社，2011．
[2]许毅，杨兆举．液压与气动技术及应用[M]．北京：北京师范大学出版社，2012．
作者简介：徐丕兵（1976-），男，山东平度人，供职于青岛市技师学院，中级职称， 研究方向：控制工程。
摘要：液压传动系统设计是整个机械设备设计的重要组成部分，文章基于经验设计法介绍了常见液压传动系统的设计思路，即明确液压系统的设计要求；进行现场工况分析，确定系统的主要参数；确定液压系统方案，编制液压系统原理图；计算参数和选择液压元件；验证液压系统的性能；绘制工作图纸，编制工艺技术文件。
关键词：液压传动；系统设计；经验法；计算机辅助设计；CAD
中图分类号：TP273文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）21-0010-02
目前，液压系统的设计主要采用传统设计方法——经验法。借助液压系统计算机辅助设计（液压CAD）技术进行液压系统的设计，将成为今后主要的现代设计方法，但它也是建立在经验法设计的基础上的。因此主要介绍经验设计法。
液压传动系统设计是整个机械设备设计的重要组成部分，它与主机的设计是紧密相关的。其设计应从实际出发，重视调查研究，注意吸收国内外先进技术，在满足主机在动作和性能方面规定要求的前提下，应力求结构简单、成本低、效率高、工作安全可靠、使用维护方便及使用寿命长。
液压传动系统的一般设计步骤为：明确液压传动系统的工艺设计要求；进行现场工况分析，确定液压传动系统的主要参数；确定液压系统设计方案，拟定液压系统传动原理图；计算和选择液压元件参数；验算液压系统的性能要求；绘制工作图纸，编制工艺技术文件。上述各步骤的工作内容，有时需要平行进行，穿插进行，交叉展开。对某些比较复杂的液压系统，需经过多次反复实验比较，才能做出最后确定。设计较简单的中等复杂的液压系统时，设计中的有些步骤也可以合并或
简化。
1明确液压系统的设计要求
液压传动系统的设计必须能全面满足主机的各项功能和技术性能。因此，在开始设计液压系统时，首先要对机械设备主机的工作情况进行详细的了解与分析，明确主机对液压系统提出的工艺要求，具体内容包括：（1）主机的用途、类型、应用范围、主要结构、总体布局以及对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制；（2）对液压系统动作和性能的要求，如主机的工作循环、液压执行元件的运动方式（往复直线运动或旋转运动或摆动）、自动化程度、调速范围、运动平稳性和精度、负载状况及其工作范围；（3）主机各液压执行元件的动作顺序或者联锁要求；（4）工程现场的液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质情况、环境温度范围、湿度系数、尘埃情况、外界冲击振动等；（5）其他方面的要求，如液压装置在设计质量、外形尺寸、运行可靠性、经济性等方面的规定或限制。
2分析系统工况，确定主要参数
2.1分析系统工况
液压系统的现场工况分析是指对液压执行元件的工作状况进行分析，即进行正常的运动分析和负载分析。其分析的目的主要是确定每个执行元件在各自工作过程中的流量、压力和功率的变化过程，并将此工作过程用曲线表示出来，作为确定系统运行的主要参数（压力和流量） 、编制拟定液压系统方案的主要依据。
第一，动作运动分析。动作运动分析就是对执行元件在一个工作循环中各阶段的运动速度变化规律情况进行分析，并画出速度运行循环图。图1为某机床动力滑台的液压运动分析图，其中图1（a）为滑台工作循环图，表示液压系统的动作过程；图1（b）为速度－位移曲线图，表示滑台在一个工作循环内各阶段运动速度的大小及变化情况。
（a）工作循环图 （b）速度－位移曲线图
图1动力滑台运动分析图
第二，负载分析。负载分析就是确定执行元件所受的负载大小和方向。液压执行元件所承受的负载可由主机的规格规定，可由实验样机通过做实验测定，也可以由理论分析确定。当用理论分析确定执行元件的实际运行负载时，必须仔细考虑各执行元件在一个循环中的工况及相应的负载类型。例如：工作负载（切削力、挤压力、弹性塑性变形抗力、重力等）、惯性负载和阻力负载（摩擦力、密封力、背压力）等。计算时可根据有关定律或查阅相关设计手册来完成。把执行元件各阶段的负载用负载－位移曲线表示出来，就是负载循环图。图2为负载循环图：
图2执行元件的负载循环图
2.2确定主要参数
因为这时回路的结构还没有完全确定，所以这里所说的主要参数是指液压执行元件的主要参数。液压系统采用的执行元件的形式，必须满足主机的运动功能、性能要求及结构、安装上的限制。根据所要求的负载运动形式，选用不同的执行元件的配置。
液压执行元件主要的参数有压力和流量，这两个参数是计算和选择液压元件的主要依据。要确定执行元件的压力值和流量值，首先选择传动系统的工作压力，然后根据液压执行元件的负载循环图，计算出执行元件的主要几何参数，最后根据速度循环图确定其流量值。
3确定液压系统方案
确定液压系统的运行方案，编制拟定液压系统原理图是整个液压系统设计中最重要的一步，它对系统的性能、经济性具有决定性的影响。它包含三项内容：选择系统类型、选择液压回路及拟定液压系统原理图。
3.1选择系统的类型
系统的类型有开式和闭式两种，根据调速方式和散热要求来选择，结构简单的液压系统或节流调速的液压系统，一般采用开式系统；容积调速或要求效率高的系统，多采用闭式系统。
3.2选择液压回路
液压系统的回路是决定主机动作和性能的基础，要根据液压系统所需完成的任务和对液压系统的设计要求来选择液压基本回路。选择时要先从影响主机的关键回路进行，比如对机床的液压系统和调速以及速度换接的主要回路；另外对于液压机的液压系统，调压回路就应该是主回路。其后在考虑其他的辅助的回路系统，对于有垂直运动的部件要考虑到平衡回路，对于有多个执行元件的系统要考虑到执行元件的各个动作以及同步动作和互不干扰的回路等。若有多种方案时，应反复进行分析对比，参考同类型液压系统中选择较好的回路。
4液压元器件的选择
4.1选择液压泵的规格
根据最大压力pb和流量qb，查出液压元件产品样本，选择合适的液压泵的规格型号。
为使液压泵有一定的压力储备，泵的额定压力pn应比系统最高压力大25%～60%。泵的额定流量应与计算所需的流量相当，不能超过太多，以免造成过大的功率损失。
4.2液压控制阀的选择
液压控制阀应根据阀所在回路的最大工作压力和流经阀的最大流量来选择阀的规格。选择溢流阀时，应按动力源液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量，以满足低速运行稳定性能的要求。此外，还要考虑阀的操纵方式、连接方式和换向阀的中位机能等。
4.3液压元件配置形式的选择
如果液压站设备为固定式的，经常把液压系统中的液压元件、动力源以及各种辅助元件相对集中的安装在主机外的液压站中。这样做的好处在于方便了元件的维修和安排，而且消除了由于油温或动力源振动问题对主机工作的精确度。液压元件的配置形式目前广泛采用集成化配置，具体有下列三种：板式配置、集成块式集成配置和叠加阀式集成配置。其中，集成化配置因其结构紧凑、油管少、可标准化、安装方便、便于设计与制造、压力损失小等优点得以广泛应用。
参考文献
[1]宋锦春．液压技术实用手册[M]．北京：中国电力出版社，2011．
[2]许毅，杨兆举．液压与气动技术及应用[M]．北京：北京师范大学出版社，2012．
作者简介：徐丕兵（1976-），男，山东平度人，供职于青岛市技师学院，中级职称， 研究方向：控制工程。
